Удельное объемное сопротивление:

Диэлектрические материалы

основные свойства: 

Очень слабая электропроводность и

Способность к электрической поляризации

(существование электрического поля в объёме материала). 

 W более 3 эВ

_V ~ 10 ⁵  10 ¹⁷ Ом·м

 

Пассивные Активные

(электроизоляционные) - изменяют свои параметры под

- применяются для создания действием внешних факторов электрической изоляции

Примен-ся в электронной технике

Классификация диэлектриков

По агрегатному состоянию:

•твердые (кристаллические, аморфные),

•жидкие, газообразные,

•а также твердеющие материалы: лаки, компаунды, клеи.

По химической природе:

•органические – молекулы содержат атомы углерода;

•неорганические – молекулы не содержат атомов углерода (кроме таких соединений, как алмаз, оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли);

•элементоорганические – молекулы содержат атомы элементов не характерных для органических веществ: Si, Mg, Al и др.

Органич. диэл-ки более гибки и эластичны по сравнению с неорганич., но они менее нагревостойки.

Полярность диэлектриков

СО2 - углекислый газ

p = q _·ℓ O− C+ O−

 

+q p −q p=0

H

+

104

°

H

+

Н2О - вода p≠0 O−

ℓ

р – собственный электр. момент, сущ. внутр. эл. поле

Если центры тяжести отриц. и полож. зарядов в молекуле не совпадают, то такая молекула называется полярной, а диэл-к – полярным. р молекул неполярного диэл-ка (симметричн. молекула) равен нулю.

Основные характеристики, описывающие поведение диэлектриков в электрических полях:

1. Электропроводность γ (ρ)

2. Поляризация ε

3. Диэлектрические потери tgδ

4. Электрическая прочность E _ПР

Электрическая прочность – пробой диэл-в.

Электропроводность диэлектриков

В зависимости от типа носителей зарядов в диэл-х могут наблюдаться следующие виды электропроводности:

Ø электронная – носители зарядов электроны;

Ø ионная – носители зарядов ионы;

Ø молионная – носители зарядов молионы (группы молекул, переносящие заряд в коллоидах: эмульсии и суспензии).

 

• Газообразные диэл-ки: электронная и ионная.

• Жидкие диэл-ки: ионная и молионная.

• Твердые диэл-ки: ионная электр-ть.

• В некоторых случаях (предпробивное состояние и т.д.) в твердых и жидких диэл-х может быть электронный тип.

 

Электропроводность диэлектриков

Ø По сравнению с электропр-ю пр-в и п/п-ов электропр-ть диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Ø Все диэлектрики под воздействием не изменяющегося во времени напряжения пропускают некоторый, хотя и весьма незначительный ток, называемый током утечки I.

 

Виды эл. тока в образце диэлектрика

I – ток утечки;

Iv – объемный ток;

Is – поверхностный ток;

I_абс – ток абсорбции – ток, обусловленный перераспределением объемных зарядов, а также установлением медленных видов поляризации (релаксацион., миграцион.); спадание может продолжаться в течение нескольких минут, часов и т.д. (зависит от структуры диэ-ка);

I_скв = Iv + Is – сквозной ток – не изменяющ. во времени, обусловленный объемной и поверхностной электропроводн-ми (за счет несовершенства).

Изменение тока в диэлектрике при приложения постоянного напряжения

I

абс

I

скв

I

t

I

см

I

см

–

ток смещения

–

ток, обусловленный

зарядкой геометрической емкости

;

плотность равна скорости изменения во

времени эл. смещения (

спадает за время

порядка постоянной времени

RC

,

время мало

)

;

протекает в

начальный промежуток времени

,

общий ток

продолжает изменяться

и после

этого

–

I

абс

;

I

скв

–

останется после

зарядки геометрической

емкости, установления всех видов поляризации,

перераспределения объемных зарядов

.

I

см

следует

отличать

от

тока

проводимости,

который

вызван

движением

заряженных

частиц

(электронов и ионов). I_см появляются только в том случае, если эл. смещение переменно.

Ток смещения:

Ø Постоянный ток в цепи с конденсатором не течет, переменный - протекает. В конденсаторе, обкладки которого разделяет диэлектрик, ток проводимости, вызванный перемещением электронов, идти не может. 

Ø Значит, если ток переменный (присутствует переменное электрическое поле), происходит некоторый процесс, который замыкает ток проводимости без переноса заряда между обкладками конденсатора. Этот процесс называют током смещения.

Ø Так как магнитное поле – обязательный признак любого тока, Максвелл назвал переменное электрическое поле током смещения.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ 

Поверхность м.б. загрязнена – свободн.

Е

=0

Е

ВН

=

0

+

-

+

-

+

-

+

-

       

I

V

I

S

Е

ВН



0

Е



0

+

-

+

-

+

-

+

-

носит. заряда будут перемещаться.

Компенсатор – эл. моменты отдельных    Е_вн направлено навстречу Е. Свободн. носит. молекул взаимно компенсируют друг друга. заряда будут перемещ. от «–» к «+».

Удельное поверхностное сопротивление: _S =1/_S = R_S d/ℓ [Ом]

d – длина измерит. электрода ;

ℓ

d

U

○

l

–

расстояние между электродами.

Удельное объемное сопротивление:



V

=1

/

γ

V

=

R

V

S

/

h

Ом

[

·

м]

U

d

h

образец

измерительный электрод

охранное кольцо

Охранное кольцо (1

-

мм) не пускает поверх. ток.

2

S

–

площадь измерит. электрода

;

h

–

толщина образца.

Электропроводность диэлектриков

Ø При измерении удельного сопротивления диэлектриков ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени (через 1 мин после подачи напряжения, чтобы произошла зарядка геометрической емкости).

Ø Объемная и поверхностная эл. проводимости диэл-в зависят от:

q структуры диэл-в;

q эксплуатационных факторов: температуры, наличия влаги, напряженности эл. поля.

 

Если уд. сопр-е померить сразу, но будет меньше на 5-6 порядков.

Электропроводность диэлектриков

Ø Увеличение температуры приводит к возрастанию тепловых флуктуаций частиц, вследствие повышения их тепловой энергии kT.

Ø Тепловые флуктуации приводят к диссоциации некоторых молекул или вырыванию слабозакрепленных ионов из узлов решетки.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГАЗОВ

В стационарном случае концентрация ионов n: n=n₋=n₊= √(N_REC /α),

N_REC= αn₋n₊ – число рекомбинирующих ионов в 1м³; α – коэффициент рекомбинации.

 

В слабых полях удельная проводимость: γ = qn(µ₋+µ₊)

µ₋ и ^µ₊ – подвижность ионов

Для воздуха (в слабых полях) α ~1,6∙10⁻¹² м³/с; γ ~ 10⁻¹⁵ См/м

Электропроводность газов

Ø Молекула газа должна распасться, чтобы образовались свобод. носители заряда - ионы.

Ø Под действием радиацион. воздействия, темп-ры – ежесекундно появляется 10-30 свободных ионов (чем выше темп-ра, тем больше ионов).

Ø При поглощении энергии молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

Ø Через определенное время останутся одни ионы «+» и «-», которые рекомбинируют, общее количество будет const, т.к. между процессами генерации и рекомбинации заряженных частиц устанавливается динамическое равновесие.

 

j

E

j

НАС

E

КР

≥ 10

6

В/м

несамостоятельная

проводимость

самостоятельная

проводимость

)

ударная ионизация

(

E

Н

≈0.5В/м

для воздуха при h=1см

Е_н –напряженность, при которой наступает насыщение.

Электропроводность газов

Ø I участок – плотность тока линейно возрастает, т.к. подвижность, число рекомбинируюих ионов (проводимость) const, справедлив з. Ома.

Ø II участок – наступает насыщение, плотность тока const, т.к. все частицы совершают хаотическое тепловое движение, из-за возрастания скорости дрейфа ионов, вероятность их рекомбинации уменьшается, ионы устремятся к электродам.

Ø III участок – под действием сильной Е происходит разрыв молекул, увеличиваются свободные носит. заряда, вследствие процессов ударной ионизации молекул электронами в сильном эл. поле вплоть до пробоя газового промежутка.

Участок  ОАВ - электропроводность (концентрация свободных носителей зарядов) определяется мощностью внешних ионизаторов.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ γ = qn(µ₋+µ₊)

 

n = n₀exp(−W/kT)

ln

γ

1

/

T

W – энергия диссоциации молекул; обозначим: a=W/k, A =n0(µ−+µ+); γ = Aexp(−a/T)

Межмолекулярные и

внутримолекулярные связи гораздо сильнее, нужно приложить больше энергии (под действие темп-ры, излучения и т.д.), чтобы молекула распалась на ионы «+» и «-».

Жидкость, которая не содержит примеси.  

ln

γ

1

/

T

собственная

проводимость

примесная

проводимость

У примеси энергия закрепления ниже,

сначала идет диссоциация (развал)

молекулы (на ионы) примеси.

В жидкостях рост γ (с ростом Т) связан не только с диссоциацией молекул, но и с уменьшением вязкости.

Большое влияние оказывают примеси.

Электропроводность жидкостей

Ø В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону.

Ø Вязкость η жидкости экспоненциально убывает при увеличении температуры (если нет полимеризации или других побочных процессов).

Ø В термопластичных полимерных материалах, которые размягчаются при нагревании и становятся твердыми при охлаждении, перелом в зависимости наблюдается так же при переходе из стеклообразного (твердого) состояния в высокоэластическое (размягченное – увеличение γ за счет увеличения подвижности с.н.з.).

Проводимость сильно зависит от полярности жидкости:

Для сильно полярных жидкостей (вода, этиловый спирт, ацетон) ρ = 10³ ÷ 10⁵ Ом∙м

Для слабо полярных жидкостей (совол, касторовое масло) ρ = 10⁸ ÷ 10¹⁰ Ом∙м

Молекулы неполярных жидкостей

(бензол, трансформаторное масло) диссоциируют слабо. Проводимость примесная:

ρ ≥ 10¹⁰ ÷ 10¹³ Ом∙м

 

В коллоидах (эмульсии, суспензии) носителями заряда

м.б. молионы, что используют при нанесении покрытий электрофорезом.

Электропроводность жидкостей

Ø Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. 

Ø В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы. Их электропроводность обусловлена примесями, особенно примесями полярных веществ.

Ø Стабильность эмульсий и суспензий, т.е. способность их длительно сохраняться без оседания дисперсной фазы на дно сосуда (или всплывания ее на поверхность), вследствие различия плотностей обеих фаз, объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы эл. зарядов – молионы.

 

Электрофорез:

Ø При наложении на коллоидную систему эл. поля молионы приходят в движение, что проявляется в виде электрофореза.

Ø Электрофорез применяют в лечебных целях в физиотерапии (метод лечения, основанный на введении лекарств через кожу и слизистые оболочки с помощью постоянного эл. тока).  

Ø Молионная электропроводность присуща жидким лакам и компаундам, увлажненным маслам и т.п. Ее вклад в проводимость, как и вклад ионной электропроводности, зависит от вязкости жидкости.

 

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ü с.н.з. – ионы;

ü примесные ионы активируются легче, чем собственные:

W

γ

=

qn

µ

Потенциальная яма

Межмолекулярные и

внутримолекулярные связи еще

Примесь

r

 

гораздо сильнее.

Электропроводность тв. диэл-в

Ø Электропроводность диэл-в в отличие от п/п-в чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина ЗЗ в диэл-х ΔW>>kT (тепловой эн-и) и лишь ничтожное количество эл-в может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. 

Ø Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kТ.

Ø Ионная провод-ть оказывается больше электронной за счет значительно большей концентрации свободных ионов (хотя подвижность ионов меньше подвижности эл-в): n ион qμион>> n эл eμэл.

 

Электропроводность тв. диэл-в

Ø При низких Т передвигаются слабо связанные ионы (например, ионы примесей). При высоких Т получают возможность двигаться ионы кристаллической решетки.

Ø Направленное движение ионов (дрейф) осуществляется путём перескока («прыжковая проводимость») с ловушки на ловушку:

---

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!